В физике и электротехнике проводник — это объект или тип материала , который позволяет потоку заряда ( электрическому току ) в одном или нескольких направлениях. Материалы, изготовленные из металла, являются обычными электрическими проводниками. Поток отрицательно заряженных электронов генерирует электрический ток, положительно заряженные дырки и положительные или отрицательные ионы в некоторых случаях.
Для того, чтобы ток протекал в замкнутой электрической цепи , одной заряженной частице не нужно перемещаться от компонента, производящего ток ( источник тока ), к тем, кто его потребляет ( нагрузки ). Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечное количество, который подтолкнет своего соседа, и так далее, пока частица не будет подтолкнута к потребителю, таким образом питая его. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульса между подвижными носителями заряда ; модель проводимости Друде описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором для проводника; металлы, как правило, обладают делокализованным морем электронов , что дает электронам достаточную подвижность, чтобы сталкиваться и таким образом влиять на передачу импульса.
Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; однако другие устройства, такие как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на положительные носители заряда. Изоляторы — это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые поддерживают лишь незначительные электрические токи.
Сопротивление данного проводника зависит от материала, из которого он сделан, и от его размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. [1] Например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем в остальном идентичный тонкий медный провод. Также для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет большее сопротивление, чем в остальном идентичный короткий медный провод. Сопротивление R и проводимость G проводника постоянного поперечного сечения, таким образом, можно вычислить как [1]
где — длина проводника, измеряемая в метрах [м], A — площадь поперечного сечения проводника, измеряемая в квадратных метрах [м 2 ], σ ( сигма ) — электропроводность, измеряемая в сименсах на метр (См·м −1 ), а ρ ( ро ) — удельное электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением ) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом·м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого сделан провод, а не от геометрии провода. Удельное сопротивление и проводимость являются обратными величинами : . Удельное сопротивление — это мера способности материала противостоять электрическому току.
Эта формула не точна: она предполагает, что плотность тока полностью однородна в проводнике, что не всегда верно в практической ситуации. Однако эта формула все еще обеспечивает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.
Другая ситуация, для которой эта формула не точна, — это переменный ток (AC), поскольку скин-эффект препятствует току вблизи центра проводника. Тогда геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Аналогично, если два проводника находятся рядом друг с другом, проводя переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффекта близости . На промышленной частоте питания эти эффекты значительны для больших проводников, проводящих большие токи, таких как шины на электрической подстанции , [2] или большие силовые кабели, проводящие более нескольких сотен ампер.
Помимо геометрии провода, температура также оказывает существенное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами, во-первых, материалы могут расширяться под воздействием тепла. Степень расширения материала определяется коэффициентом теплового расширения, характерным для данного материала. Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект, как правило, невелик, порядка 10−6 . Повышение температуры также увеличит количество фононов, генерируемых внутри материала. Фонон по сути является вибрацией решетки или, скорее, небольшим гармоническим кинетическим движением атомов материала. Подобно тряске автомата для игры в пинбол, фононы служат для нарушения пути электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общее количество передаваемого тока.
Проводящие материалы включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .
Медь имеет высокую проводимость . Отожженная медь является международным стандартом, с которым сравниваются все остальные электрические проводники; Международный стандарт проводимости отожженной меди58 MS/m , хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной сорт меди, используемый для электротехнических применений, таких как строительная проволока, обмотки двигателей , кабели и шины , — это электролитически прочная пековая (ETP) медь (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если медь с высокой проводимостью необходимо сваривать или паять или использовать в восстановительной атмосфере, то можно использовать бескислородную медь с высокой проводимостью (CW008A или обозначение ASTM C10100). [3] Из-за простоты соединения пайкой или зажимом медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства тонкостенных проводов.
Серебро на 6% более электропроводно, чем медь, но из-за стоимости оно непрактично в большинстве случаев. Тем не менее, оно используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь от скин-эффекта на высоких частотах. Известно, что 14 700 коротких тонн (13 300 т) серебра, предоставленного взаймы Казначейством США, были использованы при изготовлении магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за нехватки меди во время войны. [4]
Алюминиевый провод является наиболее распространенным металлом в передаче и распределении электроэнергии . Хотя его проводимость составляет всего 61% от проводимости меди по площади поперечного сечения, его более низкая плотность делает его вдвое более проводящим по массе. Поскольку алюминий примерно в три раза дешевле меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются большие проводники.
Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Она легко образует изолирующий оксид, заставляя соединения нагреваться. Ее больший коэффициент теплового расширения, чем у латунных материалов, используемых для разъемов, приводит к ослаблению соединений. Алюминий также может «ползти», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью соответствующим образом спроектированных разъемов и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку для зданий непопулярной после падения обслуживания .
Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не получает электроны, таким образом, не образует ионы. Ковалентные связи - это просто обмен электронами. Следовательно, при прохождении через него электричества не происходит разделения ионов. Жидкости, состоящие из соединений только с ковалентными связями, не могут проводить электричество. Некоторые органические ионные жидкости , напротив, могут проводить электрический ток.
Хотя чистая вода не является проводником электричества, даже небольшая доля ионных примесей, таких как соль , может быстро превратить ее в проводник.
Провода измеряются по площади поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются по американской калибровке для меньших проводов и по круговым милам для больших.
Допустимая токовая нагрузка проводника , то есть величина тока, которую он может проводить, связана с его электрическим сопротивлением: проводник с меньшим сопротивлением может проводить большую величину тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого сделан проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.
Для неизолированных проводников предельным пределом является точка, в которой потеря мощности на сопротивление приводит к плавлению проводника. Однако, за исключением предохранителей , большинство проводников в реальном мире работают гораздо ниже этого предела. Например, бытовая проводка обычно изолируется изоляцией из ПВХ , которая рассчитана только на работу при температуре около 60 °C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы он никогда не нагревал медный проводник выше 60 °C, вызывая риск возгорания . Другая, более дорогая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно, может позволить работать при гораздо более высоких температурах.
Если к материалу приложено электрическое поле , и результирующий индуцированный электрический ток имеет то же направление, что и приложенное электрическое поле, материал называется изотропным электрическим проводником . Если результирующий электрический ток имеет направление, отличное от приложенного электрического поля, материал называется анизотропным электрическим проводником .
![{\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
